民用建筑太阳能热利用现状分析

顾黎昊

摘  要：面对传统能源储量紧张、建筑能耗持续走高的趋势，要注重太阳能资源在民用建筑中的热利用研究，充分利用储量丰富、清洁经济、获取便利的太阳能资源，探讨民用建筑太阳能热利用的实现对策，促进太阳能热水系统与民用建筑一体化的整合。面对能源供应紧缺和环境的日益恶化趋势，可再生能源开发和利用日益为人们所重视，该文重点探讨太阳能热利用技术在民用建筑中的应用现状，研究太阳能热利用在民用建筑中的实现途径和方式，促进建筑业持续健康发展。

关键词：民用建筑  太阳能  熱利用

中图分类号：TK511   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（c）-0061-02

1  民用建筑太阳能热利用现状分析

1.1 外部环境

（1）政策环境。节能减排成为全球关注焦点和研究课题，我国出台了可再生能源发展规划，确定了降低碳排放的目标，并开展了太阳能强制安装的措施。

（2）经济环境。我国国力的增强和经济发展奠定了民用建筑太阳能热利用的经济基础，面对日趋严峻的能源问题，太阳能产业为民用建筑提供了可持续的新能源，成为经济发展亮点。

（3）环境保护。面对化石能源消耗量日趋增多的态势，人们逐渐关注环境保护，增强了节能意识和观念，为民用建筑太阳能热利用奠定了文化意识基础。

1.2 内部环境

民用建筑太阳能热利用通过被动和主动两种方式加以实现，其中，被动式太阳能热利用是通过合理的规划和平面布置，改变民用建筑窗、墙、屋顶等部位构造，利用建筑材料自身的热工性能进行自然热交换，实现采暖或降温。主动式太阳能热利用则是利用太阳能热水系统、供暖系统、空调系统、发电系统等技术，有效地提高集热和利用效率。太阳能热水系统大多采用分体式结构;太阳能供暖系统则是通过与供暖循环连接的方式实现循环换热;太阳能空调系统主要是指太阳能吸收式制冷系统、吸附式制冷、除湿式制冷等系统;太阳能热泵则是通过太阳集热器和热泵蒸发器相结合的方式，利用低温热源实现节电;太阳能热发电系统主要是通过聚光型集热器聚焦太阳能热，生成高温蒸汽并进行发电。

2  民用建筑太阳能热利用系统的应用分析

2.1 太阳能集热器

要选取适宜的太阳能集热器，吸收太阳辐射能，并向工质传递热量，主要采用平板集热器、真空管集热器等，它们各有其适用特点，并通常取当地纬度±10°的安装倾角，以确保太阳热能量的充分获取和吸收。

（1）平板型集热器。由平板集热装置和储热水箱构成，采用自然循环方式接收并转换太阳热能，将其传送到工质的非聚光型部件，适宜于我国南方地区。

（2）真空管型太阳能集热器。将透明玻璃管的管壁和吸热体之间抽成真空，使之类似于拉长的热水瓶胆，体现出良好的保温性能和较高的热效率。通常采用高效A1-N/A1吸热涂层真空管集热器，其工作原理为：热管内的吸收涂层吸收太阳光辐射热能，并传递给热管内的超导工质，随之汽化升至热管顶端的冷凝端，散热后进入热管底部，由冷凝端与集热器内的联箱连接换热，实现对循环工质的再次加热。例如：U型管集热器即为间接式太阳能系统，通过真空集热管集热进行热量传递，U型铜棒吸收热量并经由循环泵，将热量传送至水箱内的浮动式盘管换热器，实现循环工质的再次加热。

2.2 太阳能生活热水系统

集中式太阳能生活热水系统的内部构件包括有全玻璃真空管式太阳能集热器、生活热水储热水箱、管路系统、控制系统、辅助能源系统，主要通过生活热水储热水箱储存生活热水，相关管路系统的主要功能为：给水管路实现建筑给水干管与太阳能系统之间的连接;太阳能系统循环管路实现集热器和储水箱的连接;供水管路实现太阳能储热水箱和建筑生活热水系统的连接。

辅助能源系统则是在没有太阳辐射的条件下的辅助性能源系统，通常采用电加热器、电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉等，并与市政热力、区域锅炉、锅炉蒸汽等能源相结合，实现辅助换热，并日趋智能化、自动化控制特点。

太阳能控制系统主要是利用单片机、PLC工控机控制的方式，进行手动/自动补水、手动/自动辅助能源加热、温差循环、定温出水、管路循环、防冻循环和故障报警等功能。

太阳能生活热水系统采用强制循环和直流式复合系统的直接加热方式，进行生活用水的加热，其工作原理为：由集热器收集太阳能热量，由循环泵传送水箱中较冷的水至集热器，并将集热器中较热的水传送回贮热水箱，使之达到预设的加热温度，保证贮热水箱中的水持续升温。

2.3 太阳能采暖系统

集中式太阳能采暖系统包括全玻璃真空管式太阳能集热器、采暖热水储热水箱、管路系统、控制系统和辅助能源系统等构件，由采暖储热水箱储存采暖所用的工质热水。

3  民用建筑与太阳能热水系统的整合设计分析

（1）建筑形体与太阳能热水系统的整合设计。由于太阳辐射具有一定的入射角，为此要结合当地纬度进行屋面或墙体的适当角度倾斜，使集热器与屋面、墙面构配件相整合，满足建筑形体对太阳能热的采集需求。也可以采用建筑局部倾斜的方式，满足集热的需求。

（2）太阳能系统成为建筑构件的整合设计。为了实现太阳能热水系统与民用建筑的一体化，可以采用太阳能热水系统的建筑构件化方式进行设计，如墙体、屋面板、窗体遮阳构件等，利用集热器的围护、保温、隔热、防水特性，替代传统的建筑构件而实现节能效果。具体实现方式有：①集热器与建筑屋面的整合。可以将太阳能集热器设置于屋面上，确定集热器的数量和所占面积，使集热器预埋件与建筑结构层相连，并进行密封处理和防水构造处理。还可以将太阳能集热器与屋面构架相结合，使太阳能集热器用构架整体架空于屋面上。还有一种最佳的结合方式，即将太阳能集热器设置于坡屋面上，合理确定集热器的位置和立面比例，通常将太阳能集热器架设置于向阳的坡屋面，安装方式采用顺坡架空或顺坡镶嵌的方式。②太阳能集热器作为墙身构配件。可以将太阳能集热器设置于墙面上，合理确定集热器的位置、比例，使之与墙面上的预埋件牢固连接，并通常将贮水箱设置于室内，采用预埋套管和集热器相连的方式进行设置。③太阳能集热器作为幕墙。可以采用集热器保温层提升玻璃幕墙不透明部分的物理性能，体现其围护保温、集热的功能。例如，将光伏板作为不透明部分与玻璃幕墙相拼接，成为统一规则整的幕墙立面。④太阳能集热器作为窗玻。采用两面隔热玻璃和内置的太阳能集热管，将其固定于窗框和幕墙框架上，体现其集热、围护保温、隔热、隔声、遮阳等特性。⑤太阳能集热器作为其他建筑构件。可以将太阳能集热器作为阳台构件进行整合设计，充分考虑集热器与支架的荷载，确保太阳能集热器与阳台结构的牢固连接。可以将集热器作为空调格栅、遮阳、雨篷构件进行整合设计，既满足民用建筑采集太阳能热的需求，并保持建筑造型独体的新颖性和节能性。

4  结语

综上所述，要大力发展太阳能与民用建筑的一体化设计，将太阳能热水系统、太阳能采暖系统应用于民用建筑领域，通过坡屋面安装、平铺式安装等方式，较好地体现围护保温、隔热隔声等节能特性，有效缓解常规能源日趋紧张的状况。未来还要加强对太阳能热水器受外力荷载而出现的墙体疲劳损坏影响研究，深入探讨多层中空玻璃与热管夹配的电辅助加热窗式太阳能热水器的设计和应用。

参考文献

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